硫磺裝置主燃燒爐的爐磚結構改進措施探究

陳雷震，張可偉，王建軍

（中石化金陵分公司，江蘇 南京 210033）

1 概況

硫磺回收裝置作為處理酸性氣的主要裝置，日益受到重視且規模不斷增大。主燃燒爐是硫磺裝置核心設備，但燃燒爐的長周期運行一直是硫磺裝置長周期運行的主要因素之一。主燃燒爐由于燃燒反應，放出大量熱量，爐膛溫度較高，且爐內存在H2S、SO2、SO3等多種腐蝕性介質，襯里材料及結構的好壞是決定硫磺回收裝置能否正常運行的先決條件。為此，對國內硫磺回收裝置中主燃燒爐的爐襯使用情況進行調查和研究，其中運行情況較差的不到半年，爐襯就出現了塌落和開裂情況，見圖1和圖2，爐磚的坍塌、脫落、開裂困擾著當前技術水平和裝置運行水平。

圖1 2020年華東某石化硫磺 裝置塌陷圖

圖2 2020年華南某石化爐體上部爐磚坍塌圖

2 原設計爐襯使用情況

2.1 使用情況

華東某石化公司10萬噸/年硫磺裝置爐體局部超溫，停工檢修期間，對該裝置主燃燒爐進行全面檢查，檢查中發現，爐體上部部分爐磚坍塌（見圖2）。該主燃燒爐設計的操作溫度為1450℃，爐體外壁操作溫度≤300℃，最高工作壓力為0.049MPa，設計壓力為0.05MPa，鋼殼體按照GB150-1998《鋼制壓力容器》設計和制造，鋼殼體內徑為φ3300mm，厚度為24mm，鋼殼體端部采用橢圓封頭，厚度18mm，材料均為16MnR。

2.2 爐磚坍塌分析

（1）坍塌的爐磚結構形式。主燃燒爐鋼殼體筒體段耐火襯里分3層，最外層是隔熱高鋁耐火磚，厚度為114mm；中間層為隔熱高鋁耐火磚，厚度為114mm，最內層也是向火面襯里為剛玉磚，厚度為178mm；剛玉磚層與中間層的間隙為8mm，剛玉磚磚灰縫為1.5mm。這種主燃燒爐的方式，易造成爐磚的坍塌、脫落、開裂。具體見圖2所示。

（2）原因分析。塌陷開裂主要原因在受交變溫度影響、熱脹冷縮等惡劣高溫環境下，爐磚結構可靠性不高等綜合因素造成強度下降所導致。對主燃爐襯里烘爐和啟停操作來說，其溫度變化范圍在常溫至1500℃；其次，爐體鋼制外殼在制作過程中也存在橢圓偏差，這導致砌磚過程中難以控制灰縫寬度及圓度，使爐襯砌體質量尤其是灰縫大小存在偏差，另外，對耐火磚的二次加工也增大了砌體的砌筑誤差，磚襯砌筑質量的下降導致砌體在正常使用過程中強度及耐久性下降，基于壽命到期、施工質量、材料誤差等因素，易導致爐磚的坍塌、脫落、開裂。

3 爐磚結構改進措施

解決硫磺裝置主燃燒爐的爐體爐磚坍塌和脫落及開裂的可靠性問題，對爐磚結構進行改造優化，利用澆注料和高溫磚的原理結構，提出一種帶格柵、錨固釘、榫槽的磚料結合的新式結構設計，爐磚可較好地在高溫1500℃左右安穩長運行，并能較好地抵抗溫度波動情況下運行。

3.1 爐膛結構設計

主燃燒爐爐膛采用“兩層澆注料襯里+一層爐磚”結構，襯里用錨固釘固定，燒結后成為一整體，頂部內側用不銹扁鋼帶（預制成格柵狀）固定見圖3，增強耐火磚的整體剛性，避免坍塌。圖4是主燃燒爐爐膛整體結構“兩層澆注料襯里+一層爐磚”結構剖面圖；“兩層澆注料襯里+一層爐磚”結構分布圖見圖5，最外層是輕質隔熱澆注料、中間層高鋁質澆注料、最內層耐火剛玉磚。

圖3 兩層澆注料襯里+一層爐磚結構剖面圖

3.2 爐磚榫槽改進

帶固定榫槽結構耐火磚及頂層布磚的優化，該磚設置兩個固定榫槽，磚縫間塞入耐火陶纖維，在工況發生改變（熱脹冷縮）時，得以有效補償，保證磚與磚之間的配合到位。對于上層的耐火磚內部焊接部分耐高溫扁鋼，扁鋼固定焊接于與筒體相連接的數根拉筋上，增加最內層剛玉磚的整體牢固性，有效防止頂層磚的塌陷。爐磚材質采用剛玉磚，以剛玉為主晶相的鋁硅系耐火制品，這種材質已應用于高溫、高壓、化學腐蝕和機械磨損等工作環境，具有純度高、強度大、耐高溫、抗侵蝕、抗熱震的性能。在材料方面，采用的是剛玉磚，并留設膨脹縫，留設膨脹縫位置既不減弱砌體強度，又不應成為爐氣流通的縫隙。

圖4 錨固釘和拉筋示意圖

圖5 不定形耐火澆注料三層分布示意圖

4 結語

單純的耐火磚結構和耐火澆注料結構都各有優缺點，采用磚混結構可充分發揮各自的優勢，在迎火面采用耐火磚，次面層高鋁質澆注料，最外層用輕質隔熱澆注料結構。這種結構的優點是迎火面可以采用榫槽結構的耐火磚承受高溫，熱震穩定性好、結構安全可靠；最外層采用澆注料結構，既能彌補爐殼的橢圓度偏差、施工方便快捷，又能保證內層榫槽結構耐火磚更好地施工，增加耐火層磚的整體性和牢固性。這種結構改進可應用于國內硫磺裝置，解決主燃燒爐的爐體爐磚坍塌和脫落及澆注料的燒裂的結構問題，同時我們應該關注到導致爐襯失效有諸多影響因素，爐襯結構設計、選材，施工質量，爐襯養護及烘爐方案，工藝操作等。要想達到理想的使用效果，選材、設計、采購、施工和操作任何一個環節都應足夠地重視，才能保證裝置主燃燒爐的長周期運行。